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光的秘密旅程：為何時間域擴散光學能揭示生物組織的深層奧秘？
在科學界，探究生命的奧秘一直是科學家們最大的挑戰之一。隨著時間域擴散光學技術的出現，這一領域的走向發生了變革。這項技術不僅有助於理解生物組織的結構，更是未來醫學診斷的關鍵工具。本文將探討這項技術的原理、儀器設備以及其在生物醫學中的應用。
時間域擴散光學的原理
時間域擴散光學又稱為時間解析功能近紅外光譜學，這是一種專注於光在擴散媒介中傳播的技術。通過發射狹窄的光脈衝，這些光脈衝進入生物組織後，會進行多次的散射和吸收。被檢測的光子到達時間可被記錄，進而轉換為光子的飛行時間分佈直方圖，這一過程揭示了光在組織中的行為。
這項技術將劃分出不同的生物組織特徵，能獨立提取吸收和散射的影響。
在擴散介質中，主要影響光子運動的現象包括吸收和散射。吸收是由生物組織中各種色素的存在造成的，而散射則是由於介質的結構差異引起的。這兩個因素共同決定了光子到達檢測器的時間與強度，因此透過分析飛行時間分佈，可以得到組織中各種成分的濃度，如血紅蛋白的氧合和去氧狀態。
儀器設備的組成
時間域擴散光學儀器主要由三個關鍵部分組成：脈衝激光源、單光子探測器及時間電子學。這些組件的性能直接影響到整體系統的精確度和靈敏度。
脈衝激光源
時間域擴散光學中使用的脈衝激光源需要具備一定的特徵。它的發射波長應該在650到1350納米之間，且擁有理想的狹窄半高寬。此外，激光源需具備高重複率和足夠的激光功率，以確保良好的信號噪比。隨著科技的進步，過去的可調釋鋰鉻藍寶石激光器已漸漸被脈衝光纖激光器取代。
單光子探測器
適用於時間域擴散光學的探測器不僅需要高效率和大有效面積，還需具備良好的時間響應和低噪聲背景。而傳統的光電倍增管已不再是唯一選擇，單光子雪崩二極體以及矽光電倍增器（SiPM）的出現，為這一領域提供了更多的選擇。
時間電子學
時間電子學的目的是無損地重建光子飛行時間的直方圖。使用時間相關單光子計數技術，這一過程涉及到對光子抵達時間進行標記，從而收集數據生成直方圖。當前的電子學系統主要依賴於時間到數字轉換器（TDC）或時間到類比轉換器（TAC）和類比到數字轉換器（ADC）的組合。
應用於生物醫學中的價值
時間域擴散光學在生物醫學的應用潛力巨大。它可以持續而非侵入性地監測組織的光學特性，成為長期診斷的重要工具。這項技術已成功應用於腦部監測、光學乳腺攝影和肌肉監測等方面，顯示出其作為臨床診斷的潛力。
隨著學術界對這一技術深入研究，我們未來將能揭示更多生物組織的深層奧秘。
光的秘密旅程通過技術和科學的結合，不斷推動著醫學的邊界。面對未來，我們不禁要問，這項技術將如何改變我們對生命的理解？
